虛實結(jié)合的電磁頻譜監(jiān)測訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

李亞飛 姚慰 劉峙峰

摘要：現(xiàn)如今，，電磁信號監(jiān)測保障人員的訓(xùn)練主要采用實裝訓(xùn)練，雖然實裝是最有效的訓(xùn)練方式，但實際裝備價值昂貴、型號種類多，如目前電磁頻譜監(jiān)測設(shè)備有德國進口的，國產(chǎn)的有成都華日、中星世通、清華同方等公司的產(chǎn)品，院校和訓(xùn)練機構(gòu)配發(fā)周期長、難度大，導(dǎo)致實際教學(xué)中單一種類訓(xùn)練設(shè)備有限，難以開展多組訓(xùn)練，影響訓(xùn)練效果。因此，需要一種現(xiàn)代化的訓(xùn)練手段彌補實際裝備不足的問題。

關(guān)鍵詞：電磁頻譜;虛擬仿真;裝備操作訓(xùn)練;監(jiān)測

引言

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR），是人們通過計算機對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的一種全新方式，它以計算機技術(shù)為核心，結(jié)合其它相關(guān)科學(xué)技術(shù)（傳感與測量、微電子、人工智能等），生成一個在視覺、聽覺、嗅覺、觸感等方面與實際環(huán)境高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互，產(chǎn)生身臨其境的感覺和體驗。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有逼真度高、臨場感強、安全可靠、重復(fù)高效等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于公共安全、工業(yè)設(shè)計、醫(yī)療輔助、軍事模擬、航空航天、交通規(guī)劃和文化教育等領(lǐng)域。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

（一）總體需求

根據(jù)現(xiàn)有機動、固定式電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的組成和邏輯功能，為滿足院校和對應(yīng)訓(xùn)練機構(gòu)的訓(xùn)練需求，擬設(shè)計電磁頻譜監(jiān)測訓(xùn)練系統(tǒng)滿足如下要求：

1）模型逼真：實物模擬系統(tǒng)與原裝備具有相同的實物外形、尺寸、面板接口、線纜、天線等，給受訓(xùn)者提供真實的裝備訓(xùn)練感受。

2）操作真實：系統(tǒng)實現(xiàn)真實電磁信號的接收、監(jiān)測，各組成部件（如監(jiān)測接收機、天線）性能指標(biāo)可測，系統(tǒng)功能與原型實裝基本操作功能實現(xiàn)方法一致，滿足教學(xué)訓(xùn)練要求。

3）訓(xùn)練高效：能夠按照實際裝備操作模式開展系統(tǒng)組成連接、開機檢查、典型性能指標(biāo)測試、電磁信號監(jiān)測與控制、電磁信號測向等科目訓(xùn)練，使受訓(xùn)者掌握電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)操作使用技能。同時，系統(tǒng)能夠基于計算機局域網(wǎng)開展網(wǎng)絡(luò)化訓(xùn)練，滿足多組人員同時訓(xùn)練需求。

（二）系統(tǒng)組成

為既滿足監(jiān)測環(huán)境真實性和組網(wǎng)訓(xùn)練的要求，又使系統(tǒng)盡量簡化、降低開發(fā)成本，系統(tǒng)在整體設(shè)計上采用分布式計算機體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在真實環(huán)境電磁信號頻譜掃描上采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)真實電磁信號的接收與控制，電磁信號測向功能訓(xùn)練采用虛擬仿真方式實現(xiàn)。

二、系統(tǒng)設(shè)計

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用TI雙核處理器OMAP-L138。此款處理器包含ARM與DSP，為使系統(tǒng)能夠更好地實現(xiàn)多客戶端頻譜監(jiān)測的功能，ARM采用了Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)為開源多線程操作系統(tǒng)，具有強大的網(wǎng)絡(luò)支持，能夠很好地處理多個客戶端的網(wǎng)絡(luò)連接，此外TI提供了相關(guān)的底層支持，開發(fā)效率高;DSP采用TI公司的DSP/BIOS，DSP/BIOS是一個尺寸可伸縮的實時內(nèi)核，方便實現(xiàn)線程間調(diào)度與同步工作[6]。多核、多線程技術(shù)的引入為本系統(tǒng)多客戶端頻譜監(jiān)測的并行處理實現(xiàn)提供了強有力的保證。

（一）多客戶端并行處理架構(gòu)

在本系統(tǒng)中，結(jié)合多核架構(gòu)以及多線程技術(shù)，提出了多客戶端頻譜監(jiān)測的流水并行處理架構(gòu)，如圖4所示。在此流水并行處理架構(gòu)中，系統(tǒng)在接收解析客戶端n的頻譜監(jiān)測任務(wù)的同時，處理部分正在處理上一客戶端n-1的頻譜監(jiān)測任務(wù)，并將客戶端n-2的頻譜數(shù)據(jù)回傳。執(zhí)行中，ARM端完成客戶端的連接以及為其分配標(biāo)識，并將其添加到客戶隊列，根據(jù)任務(wù)隊列中情況進行任務(wù)解析，將頻譜監(jiān)測任務(wù)指令及相關(guān)參數(shù)（如中心頻率、帶寬、頻率分辨率等）回傳至DSP。DSP端接收到頻譜監(jiān)測指令之后，進行任務(wù)的分發(fā)以及相關(guān)的配置工作。由于不同客戶端的頻譜監(jiān)測任務(wù)不盡相同，在系統(tǒng)實現(xiàn)中還需要不斷更改射頻前端調(diào)諧頻率，以保證能夠正確地完成對應(yīng)客戶的頻譜監(jiān)測任務(wù)。射頻前端調(diào)諧頻率等的配置工作交由FPGA來完成，配置完成之后利用FPGA將數(shù)據(jù)采集并進行相應(yīng)的預(yù)處理后回傳到DSP。DSP完成相應(yīng)的處理工作之后交由ARM，ARM端將頻譜監(jiān)測結(jié)果回傳至客戶端，從而保證了頻譜監(jiān)測的實時進行。利用這種架構(gòu)，ARM、DSP、FPGA之間并行運行，減少了不必要的等待，大大增強了各處理單元的利用率。

（二）ARM端程序設(shè)計

1.Linux下的多線程編程

線程就是程序中的單個順序控制流，利用多線程技術(shù)，可以將一個程序的任務(wù)分為多個線程，每個線程執(zhí)行程序的一個部分，所有線程都是并發(fā)執(zhí)行，這樣就可以實現(xiàn)并行計算，高效利用處理器。此外，通過為每種事務(wù)分配單獨的處理線程，能夠有效簡化程序設(shè)計，使程序更加容易理解和修改。

2.Linux并發(fā)服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計

在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)線程中，由于存在多個客戶端同時連接的情況，因此接收機必須要具備并發(fā)處理多個客戶端連接的能力。ARM端主程序在建立套接字描述符socket、綁定bind之后開始監(jiān)聽任務(wù)，調(diào)用accept函數(shù)等待客戶端的連接請求。當(dāng)接收到客戶端的請求時，服務(wù)器便為該客戶端分配相應(yīng)標(biāo)識，加入客戶列表，并為其創(chuàng)建一個新的線程，用于處理客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

三、系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)方案

（一）頻譜掃描接收單元設(shè)計

系統(tǒng)頻譜監(jiān)測工作原理：電磁信號通過天線進入頻譜掃描接收單元的預(yù)選器，預(yù)選器對信號進行預(yù)選調(diào)理，處理后信號通過頻率搬移轉(zhuǎn)換為中頻信號輸出給數(shù)字中頻模塊，數(shù)字中頻模塊對信號進行高速采樣、數(shù)字下變頻和濾波處理，輸出信號經(jīng)過數(shù)字信號處理軟件實現(xiàn)各種測量信息，并通過訓(xùn)練控制單元中的監(jiān)測控制軟件進行處理，并對頻譜信息進行顯示。

頻譜掃描接收單元按照全數(shù)字中頻頻譜儀或接收機工作原理框圖進行設(shè)計。現(xiàn)代全數(shù)字中頻頻譜儀或接收機，都是以超外差式為基本原理，采用射頻前端（包括衰減器、預(yù)選器、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器），將射頻信號變到中頻，在中頻采樣，然后進行IQ分離，再對IQ信號進行處理，得到需要的FFT頻譜或信號的幅度信息。

（二）基于虛擬手的人機交互分析

采用數(shù)據(jù)手套構(gòu)建虛擬手，費用昂貴、手部受限感明顯，而光學(xué)方式成本低廉、交互自然，故將其作為首選項。近年來，隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)界推出了Kinect、LeapMotion等幾款手部信息捕獲設(shè)備。這幾款產(chǎn)品成本低廉，非常適合作為普通虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用中的人機交互設(shè)備。其中，Kinect主要追蹤中遠距（0.5～4m）的全身運動，而對于手部動作的細節(jié)信息跟蹤不夠，需要手臂配合表達;LeapMotion是一個檢測手勢運動的傳感器，體積小、成本低、擴展性強，可識別每根手指的位置、姿態(tài)、速度等參數(shù)，動作跟蹤精度達0.01mm，可用于專業(yè)的手勢交互系統(tǒng)。

（三）天線單元設(shè)計

天線單元主要由超短波監(jiān)測天線和微波監(jiān)測天線組成。超短波監(jiān)測天線主要用于接收VHF和UHF電磁信號，為保證接受效果，天線方向性為全向，為兼顧機動站和固定站訓(xùn)練特點，系統(tǒng)中超短波天線以盤錐天線為原型進行設(shè)計，設(shè)計中采用HFSS軟件進行優(yōu)化設(shè)計，通過分析圓盤尺寸、圓盤高度、錐角大小對天線寬帶特性的影響，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)保證天線在20M～3GHz的工作頻率范圍內(nèi)駐波比小于等于2.5。

結(jié)語

本系統(tǒng)采用虛擬與現(xiàn)實結(jié)合的方法，實現(xiàn)了電磁頻譜監(jiān)測訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計，并根據(jù)設(shè)計完成了訓(xùn)練系統(tǒng)樣機的制作，經(jīng)過課堂教學(xué)實踐，教員和學(xué)員對系統(tǒng)訓(xùn)練效果比較滿意。

參考文獻：

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